基于GPRS網(wǎng)絡(luò)的浮標(biāo)水深遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)研究

郭義浩

（長江重慶航道局，重慶401147）

基于GPRS網(wǎng)絡(luò)的浮標(biāo)水深遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)研究

郭義浩

（長江重慶航道局，重慶401147）

基于GPRS網(wǎng)絡(luò)的浮標(biāo)水深遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)包含一個(gè)監(jiān)控中心和多個(gè)現(xiàn)場處理單元。數(shù)據(jù)經(jīng)過定時(shí)采集、處理后，發(fā)送到與之相連的DTU，DTU將數(shù)據(jù)傳輸?shù)桨痘O(jiān)控中心。監(jiān)控中心選用TCP/IP協(xié)議接收DTU發(fā)送的實(shí)時(shí)航道水深和坐標(biāo)數(shù)據(jù)并顯示在地圖上。系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)可減輕航道管理部門勞動強(qiáng)度，提高工作效率，降低生產(chǎn)成本，提升航道維護(hù)質(zhì)量。

浮標(biāo)水深;DTU;GPS;GPRS網(wǎng)絡(luò)

近年來，隨著國內(nèi)外經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展以及《國務(wù)院關(guān)于依托黃金水道推動長江經(jīng)濟(jì)帶發(fā)展的指導(dǎo)意見》正式出臺，標(biāo)志著長江黃金水道建設(shè)已經(jīng)上升為國家戰(zhàn)略，長江航運(yùn)迎來了發(fā)展的“黃金機(jī)遇期”。作為助推長江航運(yùn)快速發(fā)展的長江航道的作用日趨凸顯，沿江港航企業(yè)對航道依賴和關(guān)注更加突出，因此，進(jìn)一步提高航道尺度動態(tài)監(jiān)測水平，對提高航道維護(hù)質(zhì)量意義重大。

目前，航道部門對航道尺度的監(jiān)測一是通過定期進(jìn)行航道測量換算水深；二是檢查航標(biāo)位置是否正確。航標(biāo)位置通過日常的檢查以及航標(biāo)的遙測遙報(bào)系統(tǒng)，基本上可以達(dá)到實(shí)時(shí)監(jiān)測水平。以目前技術(shù)力量，水下測量還難以達(dá)到大面積的實(shí)時(shí)動態(tài)監(jiān)測，通常是對航道進(jìn)行定期測量和重點(diǎn)加密測量，但都存在一個(gè)時(shí)間間隔問題，這期間如遇有水位的陡降（洪水期山區(qū)河流比較常見）以及航道的淤積變化，盡管可以通過加大探測強(qiáng)度，但仍有可能出現(xiàn)水深不夠的風(fēng)險(xiǎn)，威脅航行安全，從而不得不采取加大航道維護(hù)水深的富余量措施。根據(jù)內(nèi)河航道河床的特點(diǎn)，一般航道邊線較淺，航道中間部分相對較深。如果能對航道邊線水深進(jìn)行實(shí)時(shí)動態(tài)監(jiān)測，主要對航道邊線的航標(biāo)水深進(jìn)行探測，則將能夠判斷航道水深狀況，并對航道水深進(jìn)行預(yù)警，便于及時(shí)進(jìn)行航標(biāo)調(diào)整，提高航道維護(hù)質(zhì)量與確保航行安全，同時(shí)也有利于降低航道的維護(hù)成本。

因此，有必要深入研究并利用GIS、GPS、數(shù)據(jù)庫和傳感技術(shù)，構(gòu)建基于GPS/GPRS的航標(biāo)水深遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)測與報(bào)警系統(tǒng)，主要實(shí)現(xiàn)航標(biāo)水深及坐標(biāo)的實(shí)時(shí)監(jiān)測與遠(yuǎn)程傳輸、水深報(bào)警及短信提醒等功能[1]。

1 基于GPRS網(wǎng)絡(luò)的浮標(biāo)水深遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)的工作原理及組成

基于GPRS網(wǎng)絡(luò)的浮標(biāo)水深遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)主要利用現(xiàn)場處理模塊中的DTU將采集到的監(jiān)測點(diǎn)水深及坐標(biāo)數(shù)據(jù)傳輸?shù)奖O(jiān)控中心，監(jiān)控中心的系統(tǒng)軟件循環(huán)監(jiān)聽來自監(jiān)測點(diǎn)的水深和坐標(biāo)信息，經(jīng)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)處理后，存放在數(shù)據(jù)庫并在系統(tǒng)軟件的電子地圖上顯示出來。

該系統(tǒng)由一個(gè)監(jiān)控中心和多個(gè)現(xiàn)場處理單元組成。每個(gè)現(xiàn)場處理單元包含測深儀和遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳送設(shè)備GPS GPRS DTU，測深儀作為測量水深設(shè)備，采集浮標(biāo)所處位置的水深信息，DTU的GPS模塊采集浮標(biāo)的位置信息。上述數(shù)據(jù)經(jīng)過定時(shí)采集、處理后送到DTU，發(fā)送到與之相連的DTU，DTU將需要發(fā)送的數(shù)據(jù)傳輸?shù)桨痘O(jiān)控中心。監(jiān)控中心由PC機(jī)及系統(tǒng)軟件組成，系統(tǒng)軟件利用TCP/IP協(xié)議接收DTU發(fā)送的數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)經(jīng)過處理后，得到水深數(shù)據(jù)和坐標(biāo)數(shù)據(jù)并存入數(shù)據(jù)庫中。由于坐標(biāo)系的不同，得到的GPS坐標(biāo)在顯示之前需要轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的百度地圖坐標(biāo)，得到百度地圖坐標(biāo)后，將水深數(shù)據(jù)標(biāo)注在對應(yīng)的地圖上。系統(tǒng)組成框圖如圖1所示。

1.1測深儀

測深儀是利用超聲波在水中傳輸時(shí)所具有的直線傳播、反射性以及傳播速度基本恒定等物理特性來測量水深[2]。監(jiān)控點(diǎn)的水深數(shù)據(jù)通過安裝在監(jiān)控點(diǎn)的測深儀測得。

本系統(tǒng)采用的無錫海鷹HY1602雙頻測深儀不僅能夠?qū)崿F(xiàn)水深數(shù)據(jù)的采集和處理，還集成有打印平臺和顯示屏幕，將計(jì)算機(jī)和測深儀融合為一體。該數(shù)字測深系統(tǒng)采用一體化內(nèi)置計(jì)算機(jī)系統(tǒng)和便攜式測量模式，可適用于各種復(fù)雜水況下的水深測量工程。該系統(tǒng)中，測深儀作為測深數(shù)據(jù)采集和處理重要設(shè)備，包含主機(jī)和換能器兩部分。工作時(shí)，換能器通過發(fā)送和接收聲波信號，再將聲波信號轉(zhuǎn)換成電能并發(fā)送給主機(jī)，通過電子線路進(jìn)行處理從而得到水深[3]。

該測深儀有多種水深輸出格式，其中SDH13D格式的數(shù)據(jù)長度最短，選擇其作為默認(rèn)數(shù)據(jù)格式，可以減少數(shù)據(jù)傳輸?shù)拈L度，降低運(yùn)行費(fèi)用。測深儀測的水深數(shù)據(jù)以SDH-13D格式通過串口輸出到DTU進(jìn)行發(fā)送。

1.2GPS GPRS DTU模塊

GPRS的英文全稱為General Packet Radio Service，即通用分組無線服務(wù)，在現(xiàn)代工業(yè)監(jiān)控領(lǐng)域占據(jù)重要地位[4]。

本文采用工業(yè)級帶GPS的GPRS DTU產(chǎn)品，通過GPRS網(wǎng)絡(luò)將與DTU相連的設(shè)備數(shù)據(jù)傳輸?shù)奖O(jiān)控中心。DTU的傳輸模式選擇為透明傳輸，不僅可以將串口數(shù)據(jù)發(fā)送到監(jiān)控中心的服務(wù)器上，與此同時(shí)還將DTU所處地的地理位置信息上報(bào)至監(jiān)控中心。DTU安放在浮標(biāo)上，因此實(shí)現(xiàn)了對浮標(biāo)的定位。

由于在《長江航道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)信息傳輸流程及格式技術(shù)要求》的定義中，根據(jù)本系統(tǒng)需要監(jiān)測的特點(diǎn)，長江航道內(nèi)部專用平臺選擇TCP協(xié)議作為傳輸層協(xié)議，故本系統(tǒng)的通信網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議選用TCP協(xié)議。

在系統(tǒng)中，選用MD-610G作為無線數(shù)據(jù)傳輸模塊，MD-610G是一款工業(yè)級DTU，內(nèi)部集成了GPS模塊和GPRS模塊。MD-610G提供2種接口，水深及坐標(biāo)數(shù)據(jù)可以通過RS232和DTU相連接。

1.3地圖調(diào)用

本系統(tǒng)屬于小型地理信息系統(tǒng)，使用范圍主要用于航道內(nèi)部生產(chǎn)管理，航標(biāo)位置在地圖上的顯示主要是示意。從資金和人才方面考慮，在研發(fā)初期選擇百度地圖API作為電子江圖顯示平臺進(jìn)行構(gòu)建。百度地圖API是一套由百度公司提供的應(yīng)用程序接口，本系統(tǒng)是C/S架構(gòu)系統(tǒng)，在winform程序中加入webBrowser控件，調(diào)用百度地圖接口，通過與之關(guān)聯(lián)的類實(shí)現(xiàn)winform和百度地圖之間的交互。百度地圖API提供了各種函數(shù)和控件，開發(fā)者只需要調(diào)用相關(guān)函數(shù)即可構(gòu)建一個(gè)功能豐富的地圖應(yīng)用。百度地圖API包含多種對航道維護(hù)和管理提供輔助幫助的公共服務(wù)資源信息[5]。通過分析，百度地圖API完全能滿足該系統(tǒng)研發(fā)初期需要。

1.4監(jiān)控中心系統(tǒng)

監(jiān)控中心系統(tǒng)是本系統(tǒng)中最重要的部分，主要有監(jiān)控中心數(shù)據(jù)庫服務(wù)器軟件、監(jiān)控中心管理軟件以及相應(yīng)的硬件設(shè)備組成。監(jiān)控中心數(shù)據(jù)庫服務(wù)器軟件主要對船載終端連接和接收數(shù)據(jù)，并對現(xiàn)場處理模塊發(fā)送來的信息進(jìn)行處理，存入相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫表中。監(jiān)控中心管理軟件實(shí)現(xiàn)航道水深實(shí)時(shí)顯示、航道水深歷史記錄、浮標(biāo)基本信息查詢、各種航道資源信息的管理。

圖1系統(tǒng)總體框架圖Fig.1System block diagram

圖2該航段浮標(biāo)實(shí)時(shí)水深、坐標(biāo)數(shù)據(jù)Fig.2Real?time water depth,coordinate and static parameters of a buoy

表1坐標(biāo)信息系統(tǒng)顯示數(shù)據(jù)與人工實(shí)測數(shù)據(jù)對比Tab.1Comparison between manual measured data and display data in the coordinate

2 系統(tǒng)運(yùn)行情況

基于GPRS網(wǎng)絡(luò)的浮標(biāo)水深遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)目前已在長江三峽庫區(qū)回水變動河段某橋區(qū)航段試運(yùn)行。該系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)了以下功能：（1）浮標(biāo)水深及坐標(biāo)的實(shí)時(shí)監(jiān)測與遠(yuǎn)程傳輸；（2）水深報(bào)警及短信提醒；（3）該航段內(nèi)相關(guān)靜態(tài)知識庫查詢，主要包括該航段配布浮標(biāo)的標(biāo)位靜態(tài)參數(shù)（如標(biāo)位名稱、岸別、航道里程、航標(biāo)類型、設(shè)標(biāo)水位、燈質(zhì)、圖片資料等）以及該航段內(nèi)的航道特征、淺灘礁石、整治建筑物、橋梁等基本資料；（4）報(bào)表輸出等。

圖2為該航段浮標(biāo)實(shí)時(shí)水深、坐標(biāo)數(shù)據(jù)及某座浮標(biāo)靜態(tài)參數(shù)顯示界面。左欄實(shí)時(shí)顯示浮標(biāo)水深及坐標(biāo)信息，右側(cè)地圖界面顯示浮標(biāo)實(shí)時(shí)位置，點(diǎn)擊浮標(biāo)還可以查詢浮標(biāo)相關(guān)靜態(tài)信息及某座浮標(biāo)靜態(tài)參數(shù)顯示界面。由表1和表2可見，該系統(tǒng)水深監(jiān)測精度完全滿足航道生產(chǎn)的輔助作用要求。

從運(yùn)行情況看，系統(tǒng)操作簡單、界面簡潔、管理方便，在線運(yùn)行性能穩(wěn)定、數(shù)據(jù)準(zhǔn)確、傳輸及時(shí)、報(bào)警可靠。系統(tǒng)還具有良好的兼容性和拓展性，為進(jìn)一步應(yīng)用推廣預(yù)留了硬軟件接口。從使用情況看，該系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)對減輕航道維護(hù)管理部門勞動強(qiáng)度、提高工作效率、降低生產(chǎn)成本、進(jìn)一步提升航道維護(hù)質(zhì)量和安全性有較大的促進(jìn)。

表2水深信息系統(tǒng)顯示數(shù)據(jù)與人工實(shí)測數(shù)據(jù)對比Tab.2Comparison between manual measured data and display data in the water depth information system

3 結(jié)論

基于GPRS網(wǎng)絡(luò)的浮標(biāo)水深遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)，對長江航道航標(biāo)水深動態(tài)監(jiān)測和通航尺度掌控有積極的現(xiàn)實(shí)意義。受研發(fā)周期和成本限制，本系統(tǒng)僅選擇了3 km航道進(jìn)行試點(diǎn)，下一步將進(jìn)一步研究與數(shù)字航道系統(tǒng)相結(jié)合，解決接口，進(jìn)一步豐富現(xiàn)有數(shù)字航道系統(tǒng)功能。

［1］張勛,許文海,唐文彥,等.淺海航道水深實(shí)時(shí)監(jiān)測方法研究［J］.儀器儀表學(xué)報(bào),2006,27（6）:361-363. ZHANG X,XU W H,TANG W Y,et al.Research on real?time method to monitor the water depth in the channel of shallow sea［J］. Chinese Journal of Scientific Instrument,2006,27（6）:361-363.

［2］李蘇陽.航道水深監(jiān)測系統(tǒng)中數(shù)據(jù)處理的關(guān)鍵技術(shù)研究［D］.大連:大連海事大學(xué),2008.

［3］無錫海鷹加科公司.HY1602雙頻測深儀技術(shù)使用說明書［R］.無錫:無錫海鷹加科公司,2010.

［4］蔡銳丹,許少云.GSM/GPRS通信在配電自動化系統(tǒng)中的應(yīng)用［J］.電子設(shè)計(jì)應(yīng)用,2004（3）:66-70.

［5］杜傳明.百度地圖API在小型地理信息系統(tǒng)中的應(yīng)用［J］.測繪與空間地理信息,2011,34（2）:152-156. DU C M.Application of BaiDu Map API in Small Geographic Information System［J］.Geomatics&Spatial Information Technolo?gy,2011,34（2）:152-156.

Research on remote monitoring system of water depth based on GPRS

GUO Yi?hao
（Changjiang Chongqing Waterway Bureau,Chongqing 401147,China）

Buoy depth remote monitoring system GPRS network includes a monitoring center and a plurality of processing units based on the scene.After timing acquisition and processing,the data will be sent to the DTU con?nected,and DTU will send the data to the shore base monitoring center.The monitoring center can use TCP/IP pro?tocol to receive the real?time channel depth and coordinate data from DTU and display them on the map.The imple?mentation of this system can reduce the labor intensity of channel management,improve work efficiency,reduce pro?duction costs and improve the quality of waterway manage.

buoy depth;DTU;GPS;GPRS network

P237

A

1005-8443（2015）04-0366-03

2015-04-01；

2015-05-12

郭義浩（1963-），男，湖北省天門人，高級工程師，主要從事航道與通航管理工作。

Biography：GUO Yi?hao（1963-），male，senior engineer.